基于DSP的IPM高頻環逆變電源設計?

張文彬（92815部隊寧波315000）

基于DSP的IPM高頻環逆變電源設計?

張文彬
（92815部隊寧波315000）

介紹了采用以IPM為開關器件的高頻逆變電源驅動和保護電路設計，并介紹了基于DSP控制的硬件保護電路和電流、電壓采樣處理電路。最后給出了以該電路完成的逆變電源系統的實驗波形和結論，實驗結果表明，采用IPM作為開關模塊與DSP芯片實現全數字控制，高頻逆變電源輸出電壓質量好、可靠性高，極大地縮短了逆變電源設計周期，減小了裝置體積。

逆變電源；IPM；驅動保護；DSP；PM 75DSA120

Class Num ber TN912

1 引言

隨著電力電子技術的迅速發展，清潔高效的太陽能發電技術越來越受歡迎的同時，各行各業對電能質量的要求也逐漸提高，許多供電場合對高頻逆變電源的高功率、高效率、高可靠性、小型輕量化的要求也越來越高。智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）是一種先進的功率開關器件，兼有GTR（大功率晶體管）高電流、低飽和電壓和高耐壓的優點，以及MOSTET（場效應晶體管）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點。IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優選的門極驅動和保護電路構成，內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也大大增強了系統的可靠性，是制作高頻逆變電源［1］的理想器件。本文采用IPM作為開關模塊與DSP芯片實現全數字控制，采用高頻鏈結構設計了一款正弦波輸出逆變電源，該逆變電源采用數字PI控制，具有過壓、欠壓等監控保護電路。

2 逆變電源系統電路結構

結合逆變電源要求（蓄電池直流80V~200V輸入，輸出50V，50Hz，單向功率流，正弦交流），采用圖1中高頻逆變電源系統電路，變電源的主電路拓撲設計采用具有中間直流環節的高頻鏈逆變電源系統結構它可以分為三個功能模塊：前級DC-DC逆變電路、后級DC-AC逆變電路和基于DSP的控制電路。前級DC-DC逆變電路包括高頻逆變器、高頻變壓器隔離和整流濾波電路，功能是把輸入DC80-200V的蓄電池電壓進行高頻逆變經高頻變壓器電能傳遞和電器隔離后整流濾波轉換成直流電供給后級逆變電路，前級DC-DC逆變電路是減小逆變電源體積的重要環節；后級DC-AC逆變電路在DSP的控制下把直流電轉換成SPWM波形供給LC濾波電路，實現DC/AC的功率變換，輸出正弦波。

3 逆變電源電路硬件設計

3.1 主電路設計

高頻環逆變電源主電路拓撲結構如圖2所示。整流為單相全橋不控整流，前級和后級逆變橋分別由四個IGBT開關元件組成。本文IGBT選用三菱公司生產的PM75DSA120模塊。

3.2 控制電路設計

3.2.1 IPM驅動保護電路設計

PM75DSA120模塊的內部結構如圖3所示。PM75DSA120為D型（內部封裝兩個IGBT）器件，額定工作電壓為1200V，額定工作電流為75A，開關頻率為5kHz～20kHz，控制電壓為15±1.5V。兩只IGBT串聯組成且各自反并聯一只續流二極管。在圖1中，每個開關器件的控制電路均有5根外接線，P為上橋臂，N為下橋臂。其中V1端接控制電源的Vcc；NC端接控制電源的零伏線GND，控制電源的典型值為15 V，允許波動范圍13.5-16.5V；SR端為模塊自身輸出的基準電源，為5 V，可用于脈沖輸入電路；C1端為脈沖輸入端，接控制電路的IN端，IN端與GND之間為脈沖輸入；FO端為故障輸出端，接控制電路的FO端［2］。

IPM內置有IGBT的驅動電路，在使用時只需進行驅動隔離，將光耦TLP559的輸出連接到IPM的驅動信號輸入端即可。為了避免噪聲干擾，提高系統可靠性，每一路驅動電源之間應相互隔離。

IPM自身擁有保護電路，可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護等故障保護，IPM模塊中任意一種保護電路動作發生，IGBT柵極驅動單元就會關斷門級電流并輸出一個故障信號，四種保護的故障信號均通過控制電路的FO端輸出。當沒有發生上述的的任何故障時。FO端為高電平，接近電源電壓Vcc，外電路故障輸出電壓為低電平。當發生上述任何一項故障時，FO端為低電平，外電路故障輸出電壓Fout為高電平。其中一個開關管的驅動保護電路如圖4所示

IPM有故障時，FO輸出低電平，FO信號通過高速光耦TLP521-1輸出經或非門CD4002，送到DSP控制的系統中，利用事件管理器中功率驅動保護中斷輸入引腳（PDPINTA/PDPINTB）進行處理，利用中斷或軟件關斷IPM的PWM控制信號，從而達到保護目的，如圖5所示。事件管理器EVA產生的1-4路PWM控制前級IPM工作，事件管理器EVB產生的7-10路PWM控制后級IPM工作，當任一開關管有故障時輸出低電平，高速光耦輸出的高電平經或非門輸出低電平，將該引腳連至PD?PINTA（PDPINTB），由于PDPINTA（PDPINTB）為低電平時DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態，從而達到保護目的［3~4］。

3.2.2 信號檢測與電路調理設計

為了保證整個逆變電源的正常工作，需要對電源系統的過流、過欠壓等故障進行監控，本文分別需用到直流電壓、交流電壓和電流采樣，由于TMS320F2407芯片中A/D采樣允許的電壓范圍是0V~3.3V，為便于檢測并且使得輸出隔離，采樣電壓需經調理電路，文中應用了霍爾傳感器和運算放大電路器。下面就這些故障信號的處理進行介紹［5］。

由于輸入蓄電池為80V~200V的直流電壓，直流過欠壓保護電路用于監測蓄電池的電壓［6］，同時調節前級逆變器的輸出電壓，保證高頻變壓器工作在額定電壓下；交流過欠壓保護電路用于監測輸出電壓，同時調節輸出電壓穩定在50V。

檢測電路為圖6。其中PT41D001為交流電壓采樣，WBV141G01為直流電壓采樣，TCK100BR為交流電流采樣（檢測電流導線穿孔）。

采樣調理電路如圖7所示，對電壓（電流）傳感器的輸出電壓進行隔離采樣［7~8］，將采樣到的電壓信號經運算放大器變換［9］，調整可變電阻器最終使得電壓值調整到0V~3V。

過流和過壓保護電路如圖8所示，電路連接調理電路的反相比例放大器輸出端O1。當過流或過壓時，反相放大的電壓信號，輸入到運放中進行比較，大于閾值電壓時，輸出為高電平信號。此高電平信號控制主電路開關管，使得其停止工作。其中穩壓二極管D1、R10、C1提供閾值電壓，D2起到了鎖存信號的作用。

4 逆變電源系統軟件設計

高頻逆變電源的軟件系統采用TMS320F2407芯片實現系統的控制，進行正弦波逆變電源系統的閉環控制，輸出標準正弦波［10］［11］；同時承擔系統的監控和保護任務，實現過壓、欠壓和過流等保護功能［12］。軟件系統閉環控制主程序如圖9（a）所示，PWM中斷子程序如圖9（b）所示。

根據以上設計完成電路，對該逆變電源進行了實驗與測試。實驗樣機參數：蓄電池輸入電壓DC80-200V，開關頻率為10kHz，負載電阻RL= 100Ω，輸出交流電壓50V，50Hz。

實驗結果圖10所示，電源在帶阻性負載的時候，輸出的正弦波形畸變率小，諧波含量低，質量很高，其幅值與頻率穩定，保護功能完善，整機的電源效率達85%以上，達到了預期設計的要求。

6 結語

詳細介紹了DSP控制的全數字高頻逆變電源的設計過程，給出系統的硬件電路和軟件設計流程圖，由于采用了高頻鏈結構，減小了裝置的體積，提高了電源效率；文中應用的IPM驅動和保護電路供電穩定，運行良好，可以很好地滿足IPM的工作要求，達到預期效果；由于IPM功率模塊里面內置驅動電路和故障保護電路，極大地簡化了逆變電源電路設計，減小了裝置體積，提高了電源可靠性；IPM的使用實現了控制電路與功率主電路的電氣隔離，提高電源整機的可靠性。

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Design of IPM H igh-frequency Link Inverter Based on DSP

ZHANG W enbin
（No.92815 Troopsof PLA，Ningbo 315000）

The paper introduces themethods of driving circuit and protection circuiton high-frequency link inverterwhen use IPM as switching device．And designs the samping and protect circuit based on DSP in sine—inverter．At last，gives the wave and conclusion of this inverter．Exper imental research indicates that IPM which acts as switch device and Digital Control by DSP，the high-frequency link inverter has a stable output voltage with high reliability，high reliability，and the design cycle of inverter has been reduce greatly，the volume becomemore littler.

inverter，IPM，drivingand protection，DSP，PM75DSA120

TN912

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.034

2016年11月8日，

2016年12月29日

張文彬，男，碩士，助理工程師，研究方向：電機與電器。